8000年前，人類(lèi)開(kāi)始從漁獵采集發(fā)展到馴養和種植動(dòng)植物，開(kāi)創(chuàng )了生產(chǎn)食物的農業(yè)。農業(yè)利用光溫水氣和土地等自然生產(chǎn)力，以植物體自身的光合作用，利用光能將吸收的二氧化碳和水合成富能和富營(yíng)養的有機物?；谑┯糜袡C肥和牛耕人種的古老農業(yè)，是一種閉合式的物質(zhì)與能量循環(huán)系統。

科技進(jìn)步和社會(huì )發(fā)展，給古老農業(yè)不斷帶來(lái)變革。

農業(yè)的三次產(chǎn)業(yè)革命

18世紀的工業(yè)革命給農業(yè)送來(lái)了機械與能源、化肥與農藥等外源性物質(zhì)與能量，打開(kāi)了閉合式循環(huán)，掀起了以工業(yè)化裝備農業(yè)的第一次產(chǎn)業(yè)革命，生產(chǎn)效率與產(chǎn)量大幅提升。設施農業(yè)的興起，將種植與養殖引入人為的自控環(huán)境中，使生產(chǎn)效率與產(chǎn)量再度提升。當代的大數據、智能化與無(wú)人機也開(kāi)始裝備農業(yè)。

農業(yè)的第二次產(chǎn)業(yè)革命興起于20世紀中葉。沃森發(fā)現遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸的雙螺旋結構和波耶實(shí)現基因重組，開(kāi)創(chuàng )了分子生物學(xué)和生物技術(shù)的新紀元，引發(fā)了以基因工程為標志的第二次農業(yè)產(chǎn)業(yè)革命。主要農作物基因組學(xué)研究克隆了一批具有重要育種價(jià)值的農藝性狀基因，基因編輯技術(shù)研發(fā)也取得了重要進(jìn)展。繼轉基因抗蟲(chóng)棉產(chǎn)業(yè)化后，全球轉基因玉米、大豆面積已超2億公頃。生物合成是生命科學(xué)、工程學(xué)和信息科學(xué)等諸多學(xué)科的綜合，通過(guò)合成生物技術(shù)可以構建具有獨特功能的淀粉、蛋白質(zhì)、抗體等，用于食物、生物質(zhì)能源以及生物基材料等。

全基因組選擇技術(shù)已成為畜禽品種改良的重要手段，動(dòng)物一出生就進(jìn)行選種；獲諾貝爾獎的動(dòng)物基因編輯技術(shù)已廣泛用于畜禽品種改良；動(dòng)物體細胞克隆技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，自1996年多莉羊誕生以來(lái)，每年有數以萬(wàn)計的種用公豬被克隆?；蚪M選擇在動(dòng)物干細胞中進(jìn)行，通過(guò)基因編輯創(chuàng )制的具有抗烈性傳染病、高飼料轉化率、低碳排放、抗逆優(yōu)質(zhì)等特性的動(dòng)物成為當家品種。

農業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命萌發(fā)于20世紀70年代的世界石油危機。危機中，美國用玉米、巴西用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇替代石油；北歐國家用林地劣質(zhì)材和枝丫材壓制成型燃料供熱發(fā)電；德國和瑞典將屠宰與肉類(lèi)加工業(yè)廢棄物及城市有機污泥，經(jīng)厭氧發(fā)酵，生產(chǎn)沼氣和提純生物天然氣，以替代汽油驅動(dòng)公交車(chē)。在能源替代實(shí)踐中，這些國家不約而同地選擇了生物質(zhì)能。

20世紀末，隨著(zhù)“全球氣候變化”與“可持續發(fā)展”的“減碳”時(shí)代大潮掀起，世界再次將目光聚焦于生物質(zhì)。1999年，時(shí)任美國總統克林頓在“發(fā)展和促進(jìn)生物基產(chǎn)品和生物能源”總統令中說(shuō)：“目前生物基產(chǎn)品和生物能源技術(shù)有潛力將可再生農林業(yè)資源轉換成能滿(mǎn)足人類(lèi)需求的電能、燃料、化學(xué)物質(zhì)、藥物及其他物質(zhì)的主要來(lái)源。這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步能在美國鄉村給農民、林業(yè)者、牧場(chǎng)主和商人帶來(lái)大量新的、鼓舞人心的商業(yè)和雇傭機會(huì )，為農林業(yè)廢棄物建立新市場(chǎng)，給未被充分利用的土地帶來(lái)經(jīng)濟機會(huì )，減少美國對進(jìn)口石油的依賴(lài)和溫室氣體排放，改善空氣和水的質(zhì)量?！痹摽偨y令再次掀起世界性的生物質(zhì)開(kāi)發(fā)熱潮，生物質(zhì)能已經(jīng)發(fā)展成為繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源，歐洲國家的生物質(zhì)能的產(chǎn)能和應用量已居可再生能源之首。

2005年，我國煉油催化應用科學(xué)奠基人閔恩澤院士說(shuō)：“從長(cháng)遠看，石油終將枯竭，利用取之不盡、用之不竭的農林生物質(zhì)資源的產(chǎn)業(yè)將會(huì )逐步興起。石油碳氫化合物生產(chǎn)的化石燃料，終將被碳水化合物生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料逐漸部分替代?！?/p>

2004年，筆者提出“生物質(zhì)經(jīng)濟已經(jīng)浮出水面”。2016年，筆者著(zhù)文指出：“農業(yè)發(fā)展的歷史長(cháng)河中，作為生產(chǎn)對象的作物籽實(shí)和畜禽肉蛋奶只占農田生物量產(chǎn)出的四成，而六成的作物秸稈和畜禽糞便等被當作了‘農業(yè)廢棄物’?，F代生物質(zhì)轉化技術(shù)則將這些‘農業(yè)廢棄物’資源化，生產(chǎn)生物質(zhì)能與生物基產(chǎn)品，將‘半生物質(zhì)農業(yè)’發(fā)展為‘全生物質(zhì)農業(yè)’?！?/p>

第一次農業(yè)產(chǎn)業(yè)革命是工業(yè)革命引發(fā)的外源性的農業(yè)產(chǎn)業(yè)革命，第二次是基因工程引發(fā)的內源性的農業(yè)產(chǎn)業(yè)革命，二者都是圍繞食物性生產(chǎn)的科技革命。第三次則是在植物組分上由淀粉/糖擴展到纖維素/木質(zhì)素的內源性的、圍繞環(huán)保性生產(chǎn)的功能性革命。

農業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命正在發(fā)生哪些大事？

近年來(lái)，農業(yè)的功能性產(chǎn)業(yè)革命發(fā)生了哪些大事？

因生物質(zhì)的“零碳”與“負碳”排放，政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )于2011年正式提出：“為確保本世紀末全球溫升控制在2℃乃至1.5℃，在提出的116個(gè)對策方案中，絕大多數都要依靠CO2的生物能源碳捕獲和儲存技術(shù)（BECCS）與碳凈負排放技術(shù)?！薄癇ECCS是極少有的、能將近幾百年來(lái)被大氣吸收積存的CO2吸出/移走的技術(shù)?！鄙镔|(zhì)能已經(jīng)成為“雙碳”時(shí)代的領(lǐng)軍者與主力軍。

生物質(zhì)與煤耦合發(fā)電在丹麥等歐洲國家已成為替煤減碳的主力。我國煤電的發(fā)電量和碳排放量均占全國總量六成，是實(shí)現“雙碳”目標的主戰場(chǎng)。倪維斗院士曾指出：“‘去煤化’現在對中國而言不現實(shí)，關(guān)閉全部燃煤電廠(chǎng)也是不可能的。中國電力要從‘減煤’向最終‘去煤’的方向發(fā)展，火電燃料要用可再生的生物質(zhì)取代，由部分替代到100%的生物質(zhì)燃料替代?！?/p>

在“治霾”戰役中，天然氣一度告急，國家能源局等部門(mén)一年內連發(fā)六文，以“煤改生物質(zhì)”救場(chǎng)，成型燃料年產(chǎn)量由2009年的50萬(wàn)噸迅速增加至2016年的900萬(wàn)噸。我國“壓煤”的難點(diǎn)在于全國年消費量約7億噸標煤的50多萬(wàn)臺中小燃煤鍋爐，其最佳替代也要靠生物質(zhì)壓縮成型燃料。

筆者曾對一個(gè)農業(yè)大縣——吉林省梨樹(shù)縣做過(guò)典型調查。該縣可用于能源的作物秸稈與畜禽糞便資源折標煤109萬(wàn)噸/年，相當于12億立方米生物天然氣，產(chǎn)值60億元，接近于種植業(yè)或養殖業(yè)；凈利潤18億元，是種植業(yè)和養殖業(yè)之和，可使農村人均凈收入增加3300元。

發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電的瓶頸是電力消納與儲能，電解水制氫一度呼聲頗高，但成本、貯存、運輸和安全性等難題不好解決。風(fēng)電和光伏發(fā)電風(fēng)生水起，消納與儲能還是離不開(kāi)生物質(zhì)?！熬G色甲醇”2023年上馬多個(gè)項目，投資1500億元，估計今年規模會(huì )更大。

1998年，美國國家科學(xué)院提出：“生物基產(chǎn)品行業(yè)最終可以滿(mǎn)足美國90%以上的有機化學(xué)產(chǎn)品的需求?！?013年，歐盟生物基產(chǎn)品市場(chǎng)已經(jīng)超過(guò)2萬(wàn)億歐元，為社會(huì )提供了2000萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位。當前，我國每年要花約4000億美元進(jìn)口乙烯、丙烯、乙二醇等石化基有機化學(xué)品，而這些都是可以逐漸被生物基替代的；導致“白色污染”的石化基塑料的唯一替代品是全生物降解塑料；未來(lái)清潔能源可以由核聚變等替代，而龐大的石化基產(chǎn)品唯有生物基產(chǎn)品能夠替代。

我國可能源用生物質(zhì)資源十分豐富，年產(chǎn)出約120億噸，蘊藏于農田片、灌草片以及林地（三剩物）片。其中農田片面積1.35億公頃，年產(chǎn)出生物質(zhì)23億噸。灌草片面積14.4億公頃，按自然檸條植被的年生物量產(chǎn)出計算，灌草片的年生物量產(chǎn)出為60億~70億噸。林地三剩物的撫育材和雜材等木質(zhì)廢棄物約30億噸，造紙業(yè)的木質(zhì)廢棄物約3億噸，果木枝條約2億噸，城市木質(zhì)廢棄物約7億噸，累計約42億噸。我國年產(chǎn)出可能源用生物質(zhì)約120億噸，這是一座巨量的、寶貴的國家綠色寶藏。

2022年，我國取得兩項重大技術(shù)突破，將生物質(zhì)技術(shù)由二代推進(jìn)到三代。一是內蒙古新木集團采用熱化學(xué)法，在數分鐘內將初始生物質(zhì)轉化為性狀同于煤而氫含量與熱值高于煤的“煤化生物質(zhì)”。煤化生物質(zhì)是一個(gè)中間體平臺，可由此轉化為合成天然氣，經(jīng)費托反應合成汽油、柴油、航空煤油、甲醇、烯烴、乙二醇、合成氨和尿素等多種有機化工產(chǎn)品；其合成氫能零碳排放，熱值比天然氣高一倍，成本遠低于煤基天然氣制“灰氫”和水電解氫。

傳統生物法生產(chǎn)沼氣/生物天然氣時(shí)，作物秸稈和高纖維素/木質(zhì)素灌草原料的容積產(chǎn)氣率低下。中國農業(yè)大學(xué)參照牛消化仿生學(xué)原理，設計了梯度厭氧發(fā)酵工藝設備和添加強力纖維素分解菌復合系，將作物秸稈容積產(chǎn)氣率提高3倍多。這是第二個(gè)重大技術(shù)突破，其意義在于可用生物法開(kāi)發(fā)巨量的作物秸稈和高纖維素/木質(zhì)素灌草，使有機物大規模還田沃土儲碳成為可能。

這兩項技術(shù)突破，有望在“一帶一路”沿線(xiàn)國家得到推廣應用?！敖z綢之路經(jīng)濟帶”一半以上國家的化石能源生產(chǎn)-消費差額為負值，累計凈負值為10.2億噸標煤?！?1世紀海上絲綢之路”沿線(xiàn)各國是全球凈初級生產(chǎn)力的富產(chǎn)區，據歐盟專(zhuān)家估算，東南亞國家每年農林業(yè)有機剩余物達6.3億噸以上?！耙粠б宦贰睘樯镔|(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了廣闊天地，生物質(zhì)可以讓“一帶一路”“綠”起來(lái)。

2021年，國際海事組織和歐盟制定了航運燃料脫碳化目標和征收碳稅政策，提出的替代燃料是生物基甲醇和生物天然氣。2023年5月，法國達飛與馬士基等世界海運巨頭在中國農業(yè)大學(xué)召開(kāi)“供需方交流會(huì )”，會(huì )上提出“綠色甲醇有多少，我們要多少”。歐洲是我國外貿重要進(jìn)出口地，如不改用生物基甲醇，我國每年需繳碳稅約40億歐元。在電力難以替代的能源領(lǐng)域，生物基“綠色甲醇”將成為替代汽油、柴油和航空煤油的完美“零碳燃料”，世界性的狂購熱潮已經(jīng)掀起。

2023年12月13日，近200個(gè)國家代表參加的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會(huì )（COP28）通過(guò)了最終協(xié)議，呼吁各國“減少能源系統對化石燃料的依賴(lài)，在這關(guān)鍵的10年加快行動(dòng)，以便在2050年實(shí)現與科學(xué)相符的凈零排放”“呼吁在2030年前將全球可再生能源產(chǎn)能增加兩倍，以及加快研發(fā)碳捕捉和碳儲存等技術(shù)，以協(xié)助難以減排的產(chǎn)業(yè)實(shí)現目標”。

近年發(fā)生的這些大事，都將生物質(zhì)能與生物基產(chǎn)品推向“雙碳”時(shí)代“減碳”的“主要”與“唯一”，加快研發(fā)碳捕捉和碳儲存技術(shù)，也被載入COP28協(xié)議史冊。

生物質(zhì)是自然進(jìn)化之精華

生物質(zhì)為何有如此優(yōu)異的稟賦？因為能持續為地球提供能量的唯有太陽(yáng)輻射，能將太陽(yáng)輻射轉化為化學(xué)態(tài)能量的唯有生物質(zhì)。

38億年前地球上出現光合作用產(chǎn)物，18億年前出現可捕獲太陽(yáng)光能的葉綠體，是生命和生物質(zhì)體將物理態(tài)能量轉換為化學(xué)態(tài)能量并代代傳承。4億年前海洋生物登陸、高等植物大繁殖，大量植物殘體在厭氧條件下以泥炭形式累積、在高溫高壓地質(zhì)作用下脫氧聚能，由碳水化合物轉化為碳氫化合物，方有今日之煤炭、石油與天然氣。

富能的生物質(zhì)為人類(lèi)的生存繁衍和5000年農業(yè)文明提供了能量支持（食物）；化石能源為工業(yè)文明大廈提供了能量支撐，當代生物質(zhì)因具有零碳/負碳排放、可再生和產(chǎn)品皆“綠”的環(huán)境功能，而成為化石能源替代的主力軍和“雙碳”時(shí)代的主力軍。當代生物質(zhì)還具有振興鄉村、強化農業(yè)與走向“一帶一路”的強大社會(huì )功能。

我們不能只看到生物質(zhì)的清潔能源功能，而忽視其賦存化學(xué)態(tài)能量等諸多優(yōu)異稟賦；不能只看能源功能而不見(jiàn)強大的環(huán)境與“三農”功能，使它“混跡”于一般物理態(tài)清潔能源。

中國式現代農業(yè)

農業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命何以納入中國式現代農業(yè)？因為我國是農業(yè)大國和生物質(zhì)資源大國；因為我國“雙碳”壓力和提升農業(yè)弱勢地位與農民收入壓力沉重；因為我國有領(lǐng)先的三代生物質(zhì)技術(shù)，能走向“一帶一路”沿線(xiàn)的廣闊天地。以開(kāi)發(fā)纖維素/木質(zhì)素組分為中心的農業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命，必將助力中國式現代農業(yè)大放異彩。農業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命是世界的，更是中國的。

中國式現代農業(yè)將一手繼續提高機械化水利化水平和大數據智能化裝備水平，繼續推進(jìn)基因工程育種和智能化栽培與養殖，提高糧食生產(chǎn)水平，把飯碗牢牢端在自己手上；一手開(kāi)辟纖維素/木質(zhì)素新領(lǐng)域，圍繞生態(tài)和環(huán)保目標，大力開(kāi)發(fā)農田片、灌草片和林地片三大片的生物質(zhì)寶藏，大力推進(jìn)以沼氣/生物天然氣為中心的沃土儲碳，大力推進(jìn)全生物質(zhì)降解塑料等生物基合成材料的應用，為提前實(shí)現“雙碳”目標與鄉村振興作出貢獻。

中國式現代農業(yè)是生產(chǎn)全生物質(zhì)和具有食物性生產(chǎn)與環(huán)保性生產(chǎn)雙重功能、用現代科技裝備的綠色高效農業(yè)；是一二三產(chǎn)融合、城鄉一體、國內與國際互促互補的新型農業(yè)體系。

對此，筆者有以下建議：

一是農田片以農作物秸稈、畜禽糞便、農產(chǎn)品加工業(yè)及城鎮有機廢水廢渣和廚余垃圾等為原料，以生物法和分布式生產(chǎn)沼氣/生物天然氣以及有機物還田沃土儲碳。灌草片種植能源灌草、林區收集三剩物為原料，根據需要以熱化學(xué)法生產(chǎn)生物基能源與有機化工產(chǎn)品。

二是開(kāi)發(fā)灌草片作為國家能源戰略?xún)浠?。比如?/3的邊際性土地種上灌草，即相當于20個(gè)長(cháng)慶油田，隨用隨轉化為艦艇用燃料與航煤，或者民用于供熱與發(fā)電。此乃國防民生之大計，且可提供大量就業(yè)崗位。

三是讓我國的第三代生物質(zhì)技術(shù)參與共建“一帶一路”，東南亞巨量的橡膠、棕櫚等熱帶植物廢棄物可以就地轉化為“煤化生物質(zhì)”，非洲和西伯利亞無(wú)邊際的泰加林的枝丫材也可以得到很好利用。

生產(chǎn)化學(xué)態(tài)能量載體生物質(zhì)的中國式現代農業(yè)，一手托起“民以食為天”，一手托起“綠色發(fā)展”，重如千鈞。

來(lái)源：《中國科學(xué)報》